Gravitacija je nevjerojatno slaba. Razmislite samo: nogu možete podići s tla, unatoč cijeloj masi Zemlje koja ga zgrabi. Zašto je ona tako slaba? Nepoznata. I možda će trebati vrlo, vrlo velik znanstveni eksperiment da bi se to saznalo. James Beecham fizičar je sveučilišta Duke koji radi s detektorom ATLAS na čuvenom velikom hadronskom sudaraču u Švicarskoj. Nedavno je opisao svoj fizički eksperiment za Gizmodo: nevjerojatno veliki atomski akcelerator - Ultra-hadronski sudarač - smješten na vanjskom rubu Sunčevog sustava.
Takav bi eksperiment mogao istodobno riješiti većinu misterija fizike, na primjer, otkriti pravu prirodu tamne materije ili dokazati mogućnost putovanja vremenom.
Mišljeni eksperiment: sudarač veličine solarnog sustava
Fizičari su uvjereni da poznaju osnovne principe svemira. Čestice međusobno djeluju putem sila, od kojih su poznata četiri: elektromagnetizam; "Slaba" snaga; "Jaka" snaga; gravitacija. Svaka sila ima pravila koja smo pronašli eksperimentima kroz stotine godina. Neke su temeljne interakcije jače, neke slabije.
U usporedbi s ostala tri, "gravitacija nije samo slaba, već je praktično beznačajna", kaže Beecham. Nadalje - od prve osobe.
Na Velikom hadronskom sudaraču, gdje sam radio, proučavamo osnovna, elementarna pravila prirode gurajući protone zajedno pri visokim energijama. Pravila koja istražujemo opisana su u terminologiji čestica i sile, a gravitacija je jedina od četiri poznate sile na koje uopće ne obraćamo pažnju prilikom izračuna protonskih sudara s najvećom energijom. Ako damo jaku interakciju sa silom 1, gravitacija će imati silu 10-39. 39 nula nakon decimalne točke. Odnosno, ništa.
Promotivni video:
Ova misterija znanosti jedna je od najnerazumljivijih za nas. Zašto su snage interakcije postrojene na ovaj način? Zašto je gravitacija tako slaba?
Priroda je takva kakva jest, bez obzira kako je ljudi zamislili. No eksperimenti su pokazali da se pri dovoljno visokoj energiji elektromagnetizam i slaba sila spajaju u jednu silu. Uz još veće energije, vjeruju znanstvenici, pridružit će im se i snažne interakcije. Ali gravitacija je drugačija. Znanstvenici ne znaju hoće li se gravitacija kombinirati s ostatkom sila pri dovoljno velikim energijama.
"Gravitacija je sila prirode, ali njezina pravila - matematika koja je u osnovi toga, najtačniji opis - nekako su vrlo različiti od ostalih", kaže Beecham. I nastavlja:
Gravitaciju najbolje opisuje Einsteinova opća teorija relativnosti, a ostale tri sile koje su opisane Standardnim modelom fizike čestica temelje se na kvantnoj teoriji polja. I iako postoje sličnosti, one su različite. To jest, kad ih naivno pokušavamo sašiti zajedno, dobivamo besmislene odgovore.
U našem sadašnjem svemiru, koristeći našu trenutnu tehnologiju, „gotovo je nemoguće naći empirijski odgovor na ovo pitanje“, kaže Beecham. Zašto? "Ne možemo doći do tako velike energije sudara, prvenstveno zato što ne možemo izgraditi sudarač dovoljno velik da to učinimo." Kaže da neki teoretičari vjeruju da postoji nešto drugo (poput drugih čestica ili dodatnih prostornih dimenzija, što sugerira teorija struna i njegovi prošireni modeli) koje bi se mogle pojaviti u eksperimentu koji kombinira gravitaciju s drugim silama.
Ali za to nam je potreban sudarač veličine solarnog sustava.
Čak ni 27-kilometarski kružni veliki hadronski sudarač, koji pomoću supravodljivih magneta ubrzava i sudara protonske zrake pri 99,999999% brzine svjetlosti, nije dovoljno brz da odgovori na ova pitanja. On može otkriti kakav je svemir bio kad je bio veličine jabuke. Znanstvenicima će trebati više energije, a samim tim i veći sudarač da bi imali univerzum manji od jabuke.
Koliko još? Možda bi se jake i slabe nuklearne sile mogle kombinirati s sudarom sagrađenim oko Marsa. Ali da bismo ovoj jednadžbi dodali gravitaciju, "prema nekim grubim procjenama, za okruživanje Neptunove orbite trebao bi biti sudarač. Štoviše, neki znanstvenici tvrde da je ta procjena vrlo gruba i da ćemo morati izgraditi veći prsten. " Koristi bi bile ogromne - takav bi se sudarač mogao testirati na Planckovoj ljestvici, najmanja ljestvica koju možemo pogledati u onu kvantnu mehaniku. „Razumjeli bismo sve o gravitaciji, o kvantnoj mehanici, a u međuvremenu bismo dobili i kombiniranu elektro-slabu i elektro-jaku silu upravo tako, praćeno putovanjem vremena, teorijom struna, tamnom materijom, tamnom energijom, problemom mjerenja, teorijom više svemira itd
Što? Putovanje kroz vrijeme? Prema Beechamu, dobili bismo tako detaljno razumijevanje svemira i kako funkcionira prostor-vrijeme da bismo svoje znanje možda stavili u temelj budućih tehnologija za manipuliranje vremenom.
"Moguće je da se sila gravitacije i druge sile prirode kombiniraju s ekstremno visokim energijama, ali da bismo istražili ovo pitanje, trebat ćemo stvoriti sudarač poput LHC-a, koji okružuje vanjske dosege Sunčevog sustava ili čak i više."
Nažalost, Beechamov misaoni eksperiment trenutno nije izvediv:
„Tehnologija, ljudska snaga i resursi za stvaranje sudarača čestica koji okružuju vanjske dosege Sunčevog sustava jednostavno ne postoje. Čak i kad bismo uzeli tehnologije postojećeg akceleratora i detektora na LHC-u, vaga bi predstavljala problem u najpraktičnijem smislu: nije jasno postoji li dovoljno materijala za stvaranje ovog kolosijeka u Sunčevom sustavu, na svim izvorima - Zemlji, Mjesecu, planetama, asteroidima itd. …
A kako bismo ubrzali protone do tako visokih energija, čak i kod LHC-a, koristimo superprevodne magnete. Magneti postaju superprovodnici samo ako ih učinite vrlo hladnim. Čovjek bi pomislio da bi ovo bilo korisno za stvaranje akceleratora čestica u prostoru. Kozmos je vrlo hladan. No, za supravodljivost, nije baš hladno. Vanjski prostor ima temperaturu od 2,7 Kelvina, ali magneti trebaju 1,9 Kelvina. Zatvori, ali još uvijek ne. U LHC-u se te temperature postižu upotrebom tekućeg helija. Nejasno je ima li negdje u blizini dovoljno tekućeg helija za hlađenje kružnog akceleratora veličine Sunčevog sustava.
Pri toj energiji detektori moraju biti ogromni. Morat ćete osposobiti fizičare i steći nerazumljivu količinu računalne snage. Trebat će vam napredna robotika, zaštita od asteroida, kometa i drugih krhotina. I sve to još treba pokrenuti. Ne možete koristiti Sunčevu energiju jer stroj okružuje Sunce na udaljenosti od Neptuna. Uređaj ove veličine zahtijevat će proboj energije koji u skoroj budućnosti nisu izvedivi.
Takav bi eksperiment promijenio fiziku. Uostalom, takvi eksperimenti pomažu fizičarima da razumiju kako stvari djeluju, a takav će akcelerator pružiti uvjerljive odgovore na mnoga pitanja. Promijenit će način na koji ljudi misle. Promijenit će ono što mislimo pod "razumijevanjem".
Kad bismo gradili sudarač oko vanjske granice Sunčevog sustava, znanje koje bismo stekli govori o prirodi gravitacije, o tome kako kombinirati kvantnu mehaniku i opću relativnost u jedno, o putovanju kroz vrijeme, o onome što se dogodilo u vrijeme Velikog praska, o tome može li naš Univerzum biti samo jedan od beskonačnog broja više svemira - promijenio bi našu predodžbu o stvarnosti, naš odnos prema prirodi, taj njezin jezik, razumijevanje svijeta, čovječanstva općenito, naše mjesto u svemiru toliko da smo morali izmislio bi novi koncept razumijevanja koji bi ga opisao.
Očito, nitko ne radi na takvom eksperimentu, iako CERN već na papiru razvija Future Circular Collider, čiji će tunel biti dugačak 80-100 kilometara. Međutim, možda negdje u Svemiru radi na takvom projektu.
Bilo bi fantastično kada bi neka daleka civilizacija negdje drugdje u Svemiru već radila na tome, a imali smo barem priliku pronaći je i kontaktirati s njom kako bismo pitali o rezultatima čak i običnih fizičkih eksperimenata. Imaju li istu masu Higgsovog bozona? Jesu li pronašli X i Y bozone koji demonstriraju ujedinjenje elektro slabih i elektrotvrdnih sila? Jesu li stigli do Planckove ljestvice? Što je tamna materija? Možemo li se vratiti u vrijeme?
Svemir će i dalje djelovati prema istim zakonima. Pravo je pitanje hoće li ljudi uopće moći razumjeti te zakone.
Ilya Khel